唐河樞紐跨河大橋防洪水文分析

吳 蕾

1 工程概況

唐河樞紐跨河大橋位于渾源縣王莊堡鎮(zhèn)北670m處，是《山西省高速公路網規(guī)劃》中“3縱11橫11環(huán)”高速路網主骨架東縱王莊堡至繁峙高速公路的重要組成部分，線路全長59.134km。

1.1 工程特性

擬建公路全線采用全封閉、全立交的雙向六車道高速公路標準，設計速度100km/h，路基寬33.5m。

1.2 河道概況

唐河屬海河流域大清河水系，發(fā)源于渾源縣，山西境內全長96km，流域面積2193km2，河道平均縱坡11‰，平均河床糙率0.0275。

項目高速公路擬建大橋位于渾源縣王莊堡北約670m，河段地形地貌主要為土石山區(qū)—黃土覆蓋基巖中低山區(qū)，山區(qū)內山巒疊嶂、溝壑縱橫，地形切割嚴重，高差懸殊。河床為石質基巖，較穩(wěn)定。河流斷面寬度130m，左岸有在建的靈（丘）山（陰）高速公路和防洪堤，河底至防洪堤頂在4～5m，右岸有鄉(xiāng)村公路及殘缺不全的防洪堤，河底至防洪堤頂1.5～2m。橋位左岸西北角建一鐵廠，橋位處周圍2000m無水利及其他工程。

2 防洪水文計算

2.1 河道演變趨勢分析

該段河道位于山谷區(qū)，河道平坦，屬侵蝕河谷區(qū)河流。隨著河道的梯級開發(fā)，水資源利用率將進一步提高，水沙矛盾更加突出，中小水年份淤積程度加劇，但大水年份的輸沙效果會有所提高。總體來說，該段河道呈逐年上淤的趨勢。

下面以唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋為例進行水文分析計算。

2.2 現狀條件下設計水位推算

唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋橋位斷面處流域面積268km2，河道比降21.53‰，河長30.54km，屬無資料地區(qū)，因此，采用《山西省暴雨洪水計算實用手冊》和《大同市唐河流域規(guī)劃》作為水文分析計算的基本依據。

2.3 設計洪水位計算成果

洪峰流量根據《山西省暴雨洪水計算實用手冊》經驗公式計算，計算公式為：

式中：Qp——頻率為p的設計洪峰流量，m3/s；

H1，p——計算流域形心處設計頻率1h點雨量，mm；

F——涉水工程控制的流域面積，km2；

N——綜合面積指數；

Cp——隨經驗公式地類劃分表及頻率而異的經驗性系數。

根據上式求得，100年一遇洪峰流量為1335m3/s，50年一遇洪峰流量為1171m3/s，20年一遇洪峰流量為849m3/s。

根據《大同市唐河流域規(guī)劃》設計洪水比擬計算，唐河水電站集水面積為457km2，橋位處集水面積為268km2，計算公式為：

式中：Q計——設計斷面流量，m3/s；

Q參——參照斷面流量，m3/s；

F計——設計斷面集水面積，km2；

F參——參照斷面集水面積，km2。

根據公式求得，大橋橋位處設計流量100年一遇洪峰流量為 1385m3/s，50年一遇洪峰流量為1091m3/s，20年一遇洪峰流量為727m3/s。

通過計算可知，采用《山西省暴雨洪水計算實用手冊》經驗公式計算的洪水結果與唐河水電站初步設計報告中的設計成果基本一致，因此，《山西省暴雨洪水計算實用手冊》的計算結果適宜采用。

根據唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋橋位處水位—流量關系曲線圖查得：100年一遇洪峰流量1335m3/s的相應水位為1160.71m；50年一遇洪峰流量1171m3/s的相應水位為1160.60m；20年一遇洪峰流量849m3/s的相應水位為1160.35m。

2.4 現狀條件下壅水分析計算

唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋橋位所在河段100年一遇洪水的相應水位為1160.71m，斷面寬度為206m，橋面高程1167.484m。建橋后河道內橋墩占據了部分行洪面積，使過水面積減小，同時增加了水流阻力，使橋位上游一定范圍內水位壅高，行洪能力降低，有7個橋墩影響阻水面積。

按下式進行壅水計算：

式中：Δz——橋前最大壅水高度，m；

η——水流進入大橋橋孔阻力系數，根據斷面處河灘大小取0.10；

νm——建橋后橋下平均流速，m/s；

ν0——建橋前斷面平均流速，m/s。

計算得：100年一遇壅水高度為0.26m，50年一遇壅水高度為0.25m，20年一遇壅水高度為0.21m。100年一遇壅水長度為42.3m，50年一遇壅水長度為40.4m，20年一遇壅水長度33.1m。

建橋后，大橋底高程1165.884m，100年一遇設計洪水位1160.71m，加上壅水高度0.26m，實際水位1160.97m，比大橋底部低4.91m，根據《公路工程水文勘測設計規(guī)范》規(guī)定，不通航河道橋下凈空高度取0.5m，因此100年一遇洪水對大橋沒有影響，滿足設計要求。

右岸壩堤為20年一遇洪水標準設計，高度為1160.85m，20年一遇洪水標準設計水位為1160.35m，依據規(guī)劃的河寬，推求20年一遇洪水標準設計水位為1160.75m，加上壅水高度0.21m，實際水位達到1160.96m，比壩頂高0.11m，建橋后對壩堤有一定影響。

2.5 現狀條件下橋位沖刷與淤積分析計算

橋梁沖刷根據交通部行業(yè)標準《公路工程水文勘測設計規(guī)范》有關公式和設計方案進行分析計算。唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋自然沖刷按零處理，一般沖刷計算和局部沖刷計算根據《公路工程水文勘測設計規(guī)范》，采用規(guī)范非黏性土河床的一般沖刷修正式和局部沖刷修正式計算，結果見表1。

表1 橋墩最大沖刷計算結果表

根據《公路工程水文勘測設計規(guī)范》非巖石河床墩臺基底埋深安全值確定的標準，通過對唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋橋位最大沖刷河床標高與樁基標高比算，認為唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋斷面基底埋深均大于安全值。

3 結語

唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋設計防洪標準為100年一遇，與《防洪標準》規(guī)定一致。項目所在地防護區(qū)防洪標準為20年一遇，橋梁設計防洪標準高于所在河段防護區(qū)防洪標準。因此，項目建設符合防洪標準、有關技術和管理要求，其防洪標準與規(guī)劃的數據基本一致，項目的實施不會增加規(guī)劃實施難度，符合水利規(guī)劃的總體要求與整治目標。

擬建的唐河大橋B、D匝道下右岸壩堤為20年一遇洪水標準設計，壩頂高度為1160.85m，20年一遇洪水標準設計水位加壅水高后為1160.96m，高于壩頂0.11m，需加高0.61m，以保證行洪安全。依據《中華人民共和國河道管理條例》《河道管理范圍內建設項目管理的有關規(guī)定》《山西省河道管理條例》等相關規(guī)定，認為在設計洪水得以順利通過的情況下，項目建設對當地水利規(guī)劃不會產生很大影響。